真空爐維修配件石墨加熱元件在真空爐中的應(yīng)用研究

真空爐維修配件石墨加熱元件在真空爐中的應(yīng)用研究
基于石墨材料的諸多優(yōu)良特性,詳細(xì)分析了真空熱處理爐內(nèi)石墨加熱元件的各種結(jié)構(gòu)形式,以及設(shè)計(jì)、使用中的一些注意事項(xiàng),為石墨加熱元件在真空爐行業(yè)的推廣使用提供參考。

真空爐維修配件石墨具有耐高溫、熱膨脹小、抗熱沖擊能力強(qiáng)等特性。常溫下，石墨的強(qiáng)度比金屬差，但是其機(jī)械強(qiáng)度在2500℃以下隨溫度的上升而提高，在1700～1800℃時(shí)佳，竟然超過所有的氧化物和金屬。真空爐維修配件石墨材料熔點(diǎn)高，蒸氣壓低，真空爐內(nèi)的氣氛會(huì)含有低濃度的碳，將與殘存氣體中的O2和H2O蒸氣分子產(chǎn)生反應(yīng)，產(chǎn)生凈化效果，即使在低真空度下，也能使被處理工件獲得光亮的表面狀態(tài)，大大簡(jiǎn)化了真空系統(tǒng)，降低了成本，這是任何金屬電熱體所無法比擬的。由于真空爐維修配件石墨具有上述一系列的優(yōu)良特性，做為真空電阻爐的加熱元件，越來越受到熱處理行業(yè)的歡迎，在高溫電阻爐方面日益廣泛的應(yīng)用。各種石墨加熱元件的結(jié)構(gòu)形式單根棒狀簡(jiǎn)單的單相電熱體，電流從兩端直接導(dǎo)入石墨棒。真空爐維修配件為了增大發(fā)熱量，可以將石墨棒制成空心，由于不需要對(duì)部分加熱，因此可有效地利用電能。簡(jiǎn)單的單相電熱體由于受到石墨坯料的限制，不可能將接頭部分與工作部分作成整體，可分成幾部分制作，再用螺母把這幾部分聯(lián)接起來。




(1)嚴(yán)格的真空密封：眾歷周知，金屬零件進(jìn)行真空熱處理均在密閉的真空爐內(nèi)進(jìn)行，因此，獲得和維持爐子原定的漏氣率，保證真空爐的工作真空度，對(duì)確保零件真空熱處理的質(zhì)量有著非常重要的意義。所以真空熱處理爐的一個(gè)關(guān)鍵問題，就是要有可靠的真空密封結(jié)構(gòu)。為了保證真空爐的真空性能，在真空熱處理爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須道循一個(gè)基本原則，就是爐體要采用氣密焊接，同時(shí)在爐體上盡量少開或者不開孔，少采用或者避免采用動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，以盡量減少真空泄漏的機(jī)會(huì)。安裝在真空爐體上的部件、附件等如水冷電極、熱電偶導(dǎo)出裝置也都必須設(shè)計(jì)密封結(jié)構(gòu)。
(2)大部分加熱與隔熱材料只能在真空狀態(tài)下使用：真空熱處理爐的加熱與隔熱襯料是在真空與高溫下工作的，因而對(duì)這些材料提出了耐高溫，蒸汽壓低，輻射效果好，導(dǎo)熱系數(shù)小等要求。對(duì)抗氧化性能要求不高。所以，真空熱處理爐廣泛采用了鉭、鎢、鉬和石墨等作加熱與隔熱構(gòu)料。這些材料在大氣狀態(tài)下極易氧化，因此，常規(guī)熱處理爐不能采用這些加熱與隔熱材料。
(3)水冷裝置，真空熱處理爐的爐殼、爐蓋、電熱元件導(dǎo)別處置(水冷電極)、中間真空隔熱門等部件，均在真空、受熱狀態(tài)下工作。在這種極為不利的條件下工作，必須保證各部件的結(jié)構(gòu)不變形、不損壞，真空密封圈不過熱、不燒毀。因此，各部件應(yīng)該根據(jù)不同的情況設(shè)置水冷裝置，以保證真空熱處理爐能夠正常運(yùn)行并有足夠的使用壽命。
(4)采用低電壓大電流：在真空容器內(nèi)，當(dāng)真空空度為幾托一lxlo-1托的范圍內(nèi)時(shí)，真空容器內(nèi)的通電導(dǎo)體在較高的電壓下，會(huì)產(chǎn)生輝光放電現(xiàn)象。在真空熱處理爐內(nèi)，嚴(yán)重的會(huì)產(chǎn)生弧光放電，燒毀電熱元件、隔熱層等，造成重大事故和損失。因此，真空熱處理爐的電熱元件的工作電壓，一般都不超過80一100伏。同時(shí)在電熱元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要采取有效措施，如盡量避免有尖端的部件，電極間的間距不能太小窄，以防止輝光放電或者弧光放電的發(fā)生。
(5)自動(dòng)化程度高：真空熱處理爐的自動(dòng)化程度之所以較高，是因?yàn)榻饘俟ぜ募訜?、冷卻等操作，需要十幾個(gè)甚至幾十個(gè)動(dòng)作來完成。這些動(dòng)作內(nèi)在真空熱處理爐內(nèi)進(jìn)行，操作人員無法接近。同時(shí)，有些動(dòng)作如加熱保溫結(jié)束后，金屬工件進(jìn)行淬火工序須六、六個(gè)動(dòng)作并且要在15秒鐘以內(nèi)完成。在這樣迅速的條件來完成許多動(dòng)作，是很容易造成操作人員的緊張而構(gòu)成誤操作。因此，只有較高的目動(dòng)化才能準(zhǔn)確、及時(shí)按程序協(xié)調(diào)動(dòng)。




等靜壓石墨是上世紀(jì)60年代發(fā)展起來的一種新型石墨材料，具有一系列優(yōu)異的性能。譬如，等靜壓石墨的耐熱性好，在惰性氣氛下，隨著溫度的升高其機(jī)械強(qiáng)度不但不降低，反而升高，在2500℃左右時(shí)達(dá)到較高值; 與普通石墨相比，結(jié)構(gòu)精細(xì)致密，而且均勻性好; 熱膨脹系數(shù)很低，具有優(yōu)異的抗熱震性能; 各向同性; 耐化學(xué)腐蝕性強(qiáng)，導(dǎo)熱性能和導(dǎo)電性能良好; 具有優(yōu)異的機(jī)械加工性能。


正是由于具有這一系列的優(yōu)異性能，等靜壓石墨在冶金、化學(xué)、電氣、航空宇宙及原子能工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，而且，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷擴(kuò)大。




等靜壓石墨的生產(chǎn)工藝


等靜壓石墨的生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。很顯然，等靜壓石墨的生產(chǎn)工藝與石墨電極不同。


等靜壓石墨需要結(jié)構(gòu)上各向同性的原料，需要將原料磨制成更細(xì)的粉末，需要應(yīng)用冷等靜壓成型技術(shù)，焙燒周期非常長(zhǎng)，為了達(dá)到目標(biāo)密度，需要多次的浸漬—焙燒循環(huán)，石墨化的周期也要比普通石墨長(zhǎng)得多。




生產(chǎn)等靜壓石墨的另外一種方法是用中間相炭微球?yàn)樵稀Ｊ紫葘⒅虚g相炭微球在較高溫度下進(jìn)行氧化穩(wěn)定化處理，然后等靜壓成型，再進(jìn)一步焙燒和石墨化，本文不介紹這種方法。

1.1 原料

生產(chǎn)等靜壓石墨的原料包括骨料和黏結(jié)劑。骨料通常是用石油焦和瀝青焦，也有用地瀝青焦的，比如美國(guó)POCO公司的AXF系列等靜壓石墨，就是用地瀝青焦Gilsonite coke生產(chǎn)的。

為了根據(jù)不同的用途進(jìn)行產(chǎn)品性能的調(diào)整，也有用炭黑、人造石墨做添加劑的情況。一般情況下石油焦和瀝青焦需要 在1200～1400℃下進(jìn)行煅燒，去除水分及揮發(fā)分后才能使用。

但是為了提高制品的機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)致密性，也有直接用生焦做原料生產(chǎn)等靜壓石墨的。生焦的特點(diǎn)是含有揮發(fā)分，具有自燒結(jié)性，與黏結(jié)劑焦同步膨脹和收縮。黏結(jié)劑通常使用煤瀝青，根據(jù)各個(gè)企業(yè)不同的設(shè)備條件和工藝要求，使用的 煤瀝青軟化點(diǎn)從50℃到250℃的都有。








等靜壓石墨的性能受原料的影響極大，對(duì)原料的精選是能否生產(chǎn)出所需要的較終產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。投料前必須對(duì)原料特性和均勻性進(jìn)行嚴(yán)格檢查。










1.2 磨粉

等靜壓石墨的骨料粒度通常要求達(dá)到20um以下。目前,較精細(xì)的等靜壓石墨，較大顆粒直徑為1μm，是非常細(xì)的。

要把骨料焦炭磨制成這么細(xì)的粉末，需要用到超微粉碎機(jī)。磨制平均粒度為10～20μm的粉末需要使用立式輥磨機(jī)，而磨制平均粒度小于10μm的粉末就需要使用氣流磨粉機(jī)。

1.3 混捏

將磨制好的粉末和煤瀝青黏結(jié)劑按比例投入到加熱式混捏機(jī)中進(jìn)行混捏，使粉末焦粒表面均勻附著一層瀝青?；炷笸戤吅?，取出糊料，使其冷卻。

與石墨電極生產(chǎn)相比，生產(chǎn)等靜壓石墨混捏時(shí)瀝青量要多一些，溫度要高一些，時(shí)間要長(zhǎng)一些。

1.4 二次磨粉

糊料經(jīng)過破碎、磨粉，并且篩分成幾十至幾百微米粒度的顆粒后混合均勻，用作壓型原料，叫做壓粉。二次磨粉的設(shè)備通常是使用立式輥磨機(jī)或球磨機(jī)。

1.5 成型

不同于普通的擠壓成型和模壓成型，等靜壓石墨是采用冷等靜壓技術(shù)成型的(圖 2)。將原料壓粉填充到橡膠模具中，通過高頻電磁振動(dòng)，使得壓粉得到密實(shí)，密封后進(jìn)行抽真空，排出粉末顆粒間的空氣，放入裝有水或油等液體介質(zhì)的高壓容器中，加壓到100～200 MPa，壓制成圓柱形或長(zhǎng)方形的產(chǎn)品。




根據(jù)帕斯卡原理，壓力通過水等液體介質(zhì)加到橡膠模具上，各個(gè)方向上的壓力是相等的。這樣，壓粉顆粒在模具中就不是按填充方向取向，而是按不規(guī)則排列方式被壓縮，因此，盡管石墨在晶體學(xué)特性上是各向異性的，但是從整體上看，等靜壓石墨卻是各向同性的。成型后的制品除了圓柱、長(zhǎng)方形之外，還有圓筒、坩堝等形狀。

等靜壓成型機(jī)主要是用于粉末冶金工業(yè)。由于航空航天、核工業(yè)、硬質(zhì)合金、高壓電磁等高端行業(yè)的需求，等靜壓技術(shù)發(fā)展非?？欤呀?jīng)具備制造工作缸內(nèi)徑3000mm，高度5000 mm，較高工作壓力600MPa冷等靜壓機(jī)的能力。目前，炭素行業(yè)用于生產(chǎn)等靜壓石墨的冷等靜壓機(jī)較大規(guī)格是Φ2150mm×4700 mm，較高工作壓力180MPa。

1.6 焙燒

在焙燒過程中，骨料和黏結(jié)劑之間發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，黏結(jié)劑分解，釋放大量揮發(fā)分，同時(shí)進(jìn)行縮聚反應(yīng)。在低溫預(yù)熱階段，生制品因受熱而膨脹，在其后的升溫過程中，因縮聚反應(yīng)而體積收縮。

生制品的體積越大，揮發(fā)分的釋放就越困難，而且生制品表面和內(nèi)部易產(chǎn)生溫差，熱膨脹、收縮不均勻等現(xiàn)象，這些都有可能導(dǎo)致生制品出現(xiàn)裂紋。

等靜壓石墨由于結(jié)構(gòu)細(xì)密，焙燒過程要求要特別緩慢，而且爐內(nèi)溫度要非常均勻，尤其是在瀝青揮發(fā)分急劇排出的溫度階段，加熱過程要謹(jǐn)慎進(jìn)行，升溫速度不能超過1℃/h，爐內(nèi)溫差要求小于20℃，此工藝需要約1～2個(gè)月的時(shí)間。

1.7 浸漬

焙燒過程中，煤瀝青揮發(fā)分被排出。氣體排出和體積收縮時(shí)在制品中留下細(xì)微的氣孔，且?guī)缀醵际情_口氣孔。

為了提高制品的體積密度、機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率、抗化學(xué)反應(yīng)性，可以用加壓浸漬法進(jìn)行處理，即通過開口氣孔把煤瀝青浸漬到制品內(nèi)部。

制品要先進(jìn)行預(yù)熱，然后在浸漬罐中抽真空脫氣，再把熔化好的煤瀝青加入浸漬罐中，加壓使浸漬劑瀝青進(jìn)入制品內(nèi)部。通常，等靜壓石墨要經(jīng)過多次的浸漬—焙燒循環(huán)。

1.8 石墨化

把焙燒后的制品加熱到約3 000℃，碳原子晶格有序排列，完成由炭向石墨的轉(zhuǎn)變，叫石墨化。

石墨化方法有艾奇遜法、內(nèi)熱串接法、高頻感應(yīng)法等。通常的艾奇遜法，制品從裝爐到出爐，大約需要1～1.5個(gè)月的時(shí)間。每爐可以處理幾噸到幾十噸的焙燒品。








石墨化后，制品的體積密度、導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率及抗腐蝕性能得到很大程度的改善，機(jī)械加工性能也得到了改善。但是，石墨化會(huì)降低制品的抗折強(qiáng)度。










1.9 檢查

石墨化后，還需要對(duì)制品的密度、硬度、強(qiáng)度、電阻率、灰分等指標(biāo)進(jìn)行檢查，以判斷是否達(dá)到指標(biāo)要求。

1.10 提純

等靜壓石墨在用于半導(dǎo)體、單晶硅、原子能等領(lǐng)域時(shí)，對(duì)純度的要求很高，必須用化學(xué)方法將雜質(zhì)除去后，才能用于這些領(lǐng)域。

除去石墨中雜質(zhì)的通常做法是，把石墨化制品放入鹵素氣體中加熱到約2 000℃，雜質(zhì)就被鹵化成低沸點(diǎn)的鹵化物而揮發(fā)除掉。

幾乎所有的石墨化制品中的雜質(zhì)元素均能用氯氣鹵化除掉。但是硼元素例外，它只能氟化除掉。用于提純的鹵素氣體有氯氣、氟氣，或者是能在高溫條件下分解產(chǎn)生這些氣體的鹵代烴，例如,四氯化碳(CCl4) ，二氯二氟甲烷 (CCl2F2) 。

這個(gè)提純方法充分利用了石墨在高溫下不與鹵素發(fā)生反應(yīng)，且石墨多孔的獨(dú)有特性。











等靜壓石墨的主要用途




















直拉單晶硅熱場(chǎng)和多晶硅鑄錠爐用加熱器


在直拉單晶硅熱場(chǎng)中，等靜壓石墨部件有坩堝、加熱器、電極、隔熱遮蔽板、籽晶夾持器、旋轉(zhuǎn)坩堝用的底座、各種圓板、熱反射板等約30種。

其中，80%的等靜壓石墨用于制造坩堝和加熱器等。 近年來，對(duì)單晶硅棒的直徑要求越來越大,300 mm晶片的生產(chǎn)日益成為主流。

與此相應(yīng)，單晶爐加熱區(qū)的直徑大多為800 mm，爐內(nèi)的石墨坩堝為了保 護(hù)放置其中的石英坩堝，直徑達(dá)到了860 mm，加熱器直徑約960～1000 mm，其他部件的直徑有的較大達(dá)到了1500 mm。


從2003年開始，人們對(duì)地球居住環(huán)境的保護(hù)意識(shí)逐漸增強(qiáng)， 人們?cè)絹碓角嗖A不排放二氧化碳的自然能源。在這種趨勢(shì)下，太陽能電池的生產(chǎn)急增。

在太陽能電池多晶硅片的制造過程中，首先要將多晶硅碎塊熔鑄成多晶硅方錠。其中鑄錠爐的加熱器需要用等靜壓石墨來制作。

原子能工業(yè)


近年來，全球氣候變暖。人們認(rèn)為化石燃料的使用所產(chǎn)生的二氧化碳正是導(dǎo)致這個(gè)問題的主要原因。較近幾年，雖然發(fā)展中國(guó)家的經(jīng)濟(jì)成長(zhǎng)取得了舉世矚目的成果，但是電力不足的問題卻深深地困擾著這些國(guó)家。

在這樣的情況下，人們的眼光轉(zhuǎn)向了能流密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于太陽能電池和風(fēng)力發(fā)電，且 不排放二氧化碳和硫氧化物的原子能發(fā)電。目前，全世界已投入使用的核反應(yīng)堆大都以輕水反應(yīng)堆為主。這種堆型的工作原理是利用核裂解時(shí)產(chǎn)生的熱能將冷水氣化為300℃的水蒸氣，推動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。但是，因水堆溫度較低，輕水反應(yīng)堆的發(fā)電效率不是太高。

與此相比，高溫氣冷堆卻沒有這樣的問題。它以惰性氣體(氦氣)為冷卻劑，不僅堆芯出口溫度可達(dá)近1000℃，發(fā)電效率高，還適合制造氫氣。

可以說是電力供給和環(huán)境保護(hù)兩不誤。石墨適合作為這種高溫氣冷堆的堆芯材料，因?yàn)槭坏透邷兀椅罩凶由?，傳熱性好。核聚變的燃料及材料資源幾乎取之不盡，反應(yīng)時(shí)釋放的能量也非常巨大。要使核聚變長(zhǎng)期進(jìn)行，就必須將等離子體維持在一定的溫度狀態(tài)。石墨正是核聚變等離子體維持不可或缺的重要材料。

核裂變堆( 高溫氣冷堆)

石墨是中子的慢化劑和優(yōu)良的反射劑。其自身的許多優(yōu)良特性，確立了它在核工業(yè)領(lǐng)域中的地位。石墨不但能夠滿足工業(yè)量產(chǎn)的需求，而且還具備了結(jié)構(gòu)材料所要求的高機(jī)械強(qiáng)度和耐高溫的特點(diǎn)，因此石墨適合作為高溫氣冷堆的結(jié)構(gòu)材料。

石墨用作慢化劑及反射劑的性質(zhì)要求

( 1) 一般特性要求

對(duì)石墨的性質(zhì)要求隨核反應(yīng)堆的類型及設(shè)計(jì)構(gòu)造不同而有所變化。核反應(yīng)堆所需要的石墨材料均為大型材料。此外，大量生產(chǎn)時(shí)，要求石墨材料不僅品質(zhì)穩(wěn)定，純度高，而且要耐腐蝕，強(qiáng)度高。

( 2) 核石墨的特性及純度慢化劑用于核裂變反應(yīng)堆，使核裂變產(chǎn)生的快中子減速為熱中子，提高中子和235U原子核碰撞的機(jī)會(huì)，從而提高裂變反應(yīng)的幾率。

所以，要求慢化劑對(duì)中子有較大的散射截面和較小的吸收面。石墨對(duì)中子的慢化能力和反射能力僅次于重水，是除重水外較好的慢化劑。因此，它是高溫氣冷堆可使用的結(jié)構(gòu)材料。

( 3) 輻照損傷引起的物理變化堆芯及周圍所用的石墨，在輻照狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生變形，熱導(dǎo)率降低，彈性模量增大，發(fā)生輻照蠕變等。因此，用于慢化劑的石墨必須對(duì)輻照蠕變及變形所產(chǎn)生的輻照應(yīng)力有很強(qiáng)的耐受力。

石墨材料在高溫氣冷堆的使用現(xiàn)狀及今后的課題

高溫氣冷堆非常安全這一特征，使人們提出了模塊化高溫氣冷堆的設(shè)計(jì)理念。下一代超高溫核反應(yīng)堆( UHTR) ，朝著高功率密度、高溫化方向邁進(jìn)。

技術(shù)上的這些發(fā)展進(jìn)步，對(duì)新一代石墨材料的特性提出了更高的要求，比如，更高的輻照損傷耐受力，產(chǎn)品均質(zhì)化，物美價(jià)廉，長(zhǎng)期供貨等。




美國(guó)在下一代核反應(yīng)堆( NGNP)研發(fā)計(jì)劃中，把日本東洋炭素的IG－430和羅蘭石墨美國(guó)分公司的2020兩種牌號(hào)的等靜壓石墨作為備選的堆芯材料進(jìn)行研究。這2種石墨的性能指標(biāo)見表1。

核聚變反應(yīng)堆

核聚變反應(yīng)堆的工作原理是氫的同位素氘和氚的原子核在高溫下結(jié)合，形成氦原子和中子的同時(shí)，釋放出巨大的能量。

核聚變反應(yīng)堆的研究開始于1950年，直到超高溫等離子體吸收材料的開發(fā)成功，才有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。石墨用于核聚變反應(yīng)堆的等離子體面對(duì)材料，很大程度上減少了等離 子體中的金屬雜質(zhì)，并表現(xiàn)出良好的導(dǎo)熱性，因此極大地提高了等離子體的能量約束特性。

現(xiàn)在大型的核聚變反應(yīng)堆JT－60U和JET的內(nèi)壁幾乎都包覆了石墨。2007年10月，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)發(fā)起由7個(gè)國(guó)家( 日本、EU、俄羅斯、美國(guó)、中國(guó)、韓國(guó)、印度) 聯(lián)手執(zhí)行的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(ITER)計(jì)劃。這個(gè)計(jì)劃預(yù)計(jì)于2016年在法國(guó)卡達(dá)拉什完成。

核聚變堆靠前壁材料的要求和問題點(diǎn)

等離子體的特性與核聚變裝置中等離子體的面對(duì)材料有關(guān)。如果等離子體中混有高原子序數(shù)Z的雜質(zhì)時(shí)，一旦這些雜質(zhì)被加熱為高價(jià)離子與電子結(jié)合，就會(huì)增加輻照損失。

因?yàn)檩椛鋸?qiáng)度與原子序數(shù)的3～4次方成正比，原子序數(shù)越大，輻照損失越大，所以原子序數(shù)Z必須小。

一方面，從等離子體逃逸出的入射高能粒子、光、熱會(huì)強(qiáng)烈損傷面對(duì)等離子體靠前壁材料;

另一方面，石墨材料的升華、濺射及從中脫出的氣體等混入等離子體中成為雜質(zhì)。

高能中子對(duì)面對(duì)材料產(chǎn)生的體損傷，以及高能離子產(chǎn)生的表面損傷等是對(duì)面對(duì)材料的新挑戰(zhàn)。離子體放電脈沖時(shí)，嵌入靠前壁的燃料粒子飛濺出來，進(jìn)入等離子體中，并在壁和等離子體間來回循環(huán)。這個(gè) 過程對(duì)保持燃燒很有必要。

隨著核聚變裝置逐漸大型化，為了生成高溫等離子體，導(dǎo)熱性好、機(jī)械強(qiáng)度高的石墨材料被用做面對(duì)等離子體的靠前壁材料，且表現(xiàn)出了良好的放電脈沖效果。

此外，即使它們混入等離子體中，因原子序數(shù)低，引起的輻照損失小，所以能使高溫等離子體保持穩(wěn)定。石墨邦，國(guó)內(nèi)碳石墨全產(chǎn)業(yè)鏈電商平臺(tái)----www.shimobang.cn欲交流請(qǐng)加微信號(hào)：shimobang 但是，氫的同位素入射會(huì)導(dǎo)致石墨材料生成CH4氣體的消耗性化學(xué)飛濺現(xiàn)象以及輻射增強(qiáng)升華損耗現(xiàn)象(輻射增強(qiáng)升華是指等離子體粒子處于輻照環(huán)境下，即使當(dāng)前溫度未達(dá)到石墨的正常熱升華溫度，石墨材料也會(huì)升華損耗的現(xiàn)象) 。

因此，采用石墨材料做等離子體的面對(duì)材料時(shí)，必須注意石墨的使用條件，特別是溫度。


核聚變堆用的石墨材料

日本原子能研究所正在研發(fā)的臨界等離子體裝置JT－60U的等離子體面對(duì)材料和偏濾器板就采用了石墨材料所做的部件。

其中，等離子體出口處的偏濾器板采用了一種具有高熱導(dǎo)率、高耐熱沖擊力、以炭纖維為原料的特殊C /C復(fù)合材料，熱負(fù)荷相對(duì)較低的靠前壁采用了各向同性石墨材料。

下一代核聚變裝置( ITER)

ITER裝置中的偏濾器位于等離子體出口處，承受了極高的粒子負(fù)荷以及等離子體破裂過程中所產(chǎn)生的極高的熱負(fù)荷。

為了及時(shí)有效地除去偏濾器承載的高熱負(fù)荷，ITER裝置的偏濾器部件采用了和JT－60U裝置具有相同熱導(dǎo)率的C /C復(fù)合材料。偏濾器部件的制造采用了冷卻水管和熱沉焊接的技術(shù)。此外，高原子序數(shù)Z的鎢，因?yàn)R射率低，傾向于用作面對(duì)等離子體材料。

其他核石墨(反應(yīng)控制材料)

不管核反應(yīng)堆中的核分裂物質(zhì)是否增減，核反應(yīng)堆必須設(shè)置控制棒以及時(shí)補(bǔ)償和調(diào)節(jié)原子反應(yīng)堆中的中子數(shù)。高溫氣冷堆使用碳與B4C結(jié)合制成的圓柱體為控制棒。這要求石墨材料在所使用的溫度環(huán)境中必須保持穩(wěn)定，而且能耐中子輻照。

總之，世界原子能工業(yè)正經(jīng)歷著各種各樣的發(fā)展變化。在高溫氣冷堆領(lǐng)域，南非和中國(guó)的商用高溫氣冷堆正在推進(jìn)中。在核聚變反應(yīng)堆領(lǐng)域，有實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆。國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆( ITER)計(jì)劃開展的同時(shí)，日本的JT－60裝置改造也在先期進(jìn)行中。

放電加工電極

主要以石墨或銅為電極的放電加工被廣泛用于金屬模具等加工領(lǐng)域。

對(duì)放電加工用石墨的形狀加工前工序要求: ①工具消耗少; ②加工速度快; ③ 加工面粗糙度好; ④無尖端突起等。

放電加工工序要求: ①放電加工速度快; ②電極長(zhǎng)度消耗少; ③電極角損耗少; ④被加工物的加工面粗糙度好; ⑤被加工物的加工面凹凸少等。

放電加工用石墨電極與銅電極相比，有如下優(yōu)點(diǎn): ①比銅輕，易搬運(yùn)，同形狀下，只有銅重量的1 / 5; ②易加工; ③切削加工不易產(chǎn)生應(yīng)力及熱變形; ④熔點(diǎn)在3000℃以上，熱膨脹系數(shù)小，石墨電極很少因放電加工產(chǎn)生的熱量而變形。

但是，石墨電極也存在一些缺點(diǎn)，如①切削加工時(shí)易產(chǎn)生粉塵; ②易損耗等。

放電加工用石墨電極廠家都生產(chǎn)從低價(jià)格的粗加工用產(chǎn)品到精加工用的不同等級(jí)的產(chǎn)品。
較近，市場(chǎng)上出現(xiàn)了和傳統(tǒng)概念不相同的超微粒子放電加工用石墨電極。這種電極以降低石墨消耗為目標(biāo)，其開發(fā)思路簡(jiǎn)單來說就是: 電極消耗少→放電加工時(shí)從電極上脫落的石墨顆粒少→微粒子→顆粒間的結(jié)合強(qiáng)度高→瀝青骨料高效合理利用→調(diào)整制造參數(shù)，降低次品率及制造成本。至于超微粒子放電加工用石墨電極能否市場(chǎng)化，還要取決于石墨電極廠家的生產(chǎn)技術(shù)水平。
目前情況下，切削加工在金屬模具的深部及細(xì)部加工上還顯得有些束手無策。因?yàn)楝F(xiàn)有刀具的形狀和強(qiáng)度很難達(dá)到深部及細(xì)部加工的要求。

因此，開發(fā)了用于精加工的精密放電用石墨電極，以期充分利用石墨電極的諸多優(yōu)點(diǎn)，這種石墨電極是用等靜壓石墨加工而成的。圖3比較了傳統(tǒng)石墨材料與等靜壓石墨材料的顯微結(jié)構(gòu)。
有色金屬連鑄用石墨結(jié)晶器
由于可以實(shí)現(xiàn)鑄造工序的簡(jiǎn)化、產(chǎn)品合格率的提高以及產(chǎn)品組織結(jié)構(gòu)的均勻化等優(yōu)點(diǎn)，用連鑄連軋方式生產(chǎn)有色金屬板、管、棒等已經(jīng)非常普遍。 目前，生產(chǎn)大規(guī)格的純銅、青銅、黃銅、白銅主要采取連鑄的方法。其中，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量起著至關(guān)重要影響的結(jié)晶器就是用等靜壓石墨材料制成的。
由于等靜壓石墨材料在熱傳導(dǎo)、熱穩(wěn)定、自潤(rùn)滑、抗浸潤(rùn)及化學(xué)惰性等方面具有良好的性能，使之成為制作結(jié)晶器不可替代的材料。

其他用途

等靜壓石墨還用于制作金剛石工具和硬質(zhì)合金的燒結(jié)模具，光纖拉絲機(jī)的熱場(chǎng)部件(加熱器、保溫筒等) ，真空熱處理爐的熱場(chǎng)部件(加熱器、承載框等) ，以及精密石墨熱交換器、機(jī)械密封部件、活塞環(huán)、軸承、火箭噴嘴等。